HUT60543A - Method for detecting precipitated extraneous phases in monocrystal material - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás egykristályos anyagban lévő idegen fázisok kimutatására, mely eljárás során diszkrét kristálytartományokat hullám- vagy részecske-sugarakkal átvilágítunk, a Bragg féle körülmények között elhajlott sugarak intenzitási eloszlását rögzítjük és a statikus Debye-Waller-tényezőt a rögzített intenzitási értékek és egy adott elméleti funkció összevetésével meghatározzuk.

Egykristályok előállításának és megmunkálásának számos ipari területen fontos szerepe van, ezért jelentősége van az olyan eljárásoknak is, amelyekkel az előállított egykristályokat megvizsgálni, azaz az ideális kristályszerkezettől való eltéréseket megtalálni lehet, az előállítási és megmunkálási eljárások ellenőrzőse és optimálása érdekében.

Az ilyen eljárások tipikus alkalmazási területe a félvezetőgyártó és mikroelektronikai iparban feldolgozásra kerülő Síszeletek vizsgálata.

Az Si-szeletek többnyire egykristályos korongok, tipikus méreteik kb. 0,4 mm vastagság és 200 mm átmérő. A kristályhúzás után kapott szeletek nagyságrendileg 10 ppm oxigént tartalmaznak, kivételt csak az aktív felületi réteg képez, amely mintegy 20 Mm mélységig gyakorlatilag oxigénmentes . A további megmunkálás során a szeleteket hőkezelik; mintegy 700 °C hőmérsékleten az eddig atomok alakjában jelen lévő oxigén kezd SiO₂ molekulákat képezni. Az Si0₂-molekulák az Si-atomok helyett beépülhetnek a kristályrácsba, aminek következtében helyi eltorzulások keletkezhetnek a rácsszerkezetben.

·”·♦**·»* ·· · · « ····* · · • · · · · · · • · · · ·· ·· ·*· ····

- 3 Bebizonyosodott, hogy a rács eltorzulása további SÍO2 molekulákat vonz, amelyek lemez szerű szerkezetet képezve helyezkednek el. így a kivált S1O2 vékony lemezkéket képez, amelyek a kristályban feszültségeket okoznak. Ezek az SÍO2zárványoknak ráadásul megvan az a tulajdonsága, hogy idegen atomokat , különösen a félvezetőelemek előállítása ,így például a maratás során alkalmazott vegyszerekből származó fémionokat magukba gyűjtsék. A mikroelektronikai félvezető elemek elóőllítása során a getterezés a hozamot erősen növeli, feltéve, hogy a belső getter-réteg a szelet később elektromosan aktív felületrétege alatt van.

A kristályrácsban lévő zárványok okozta feszültségek a következő lépések során alkalmazott, az 1000 °C-ot meghaladó hőmérsékleten leépülnek, hossziránti hibákká alakulnak át. A hibák hosszú torzulásos mezőket képeznek, ezek az oxigénmentes felületi rétegig terjednek. Ez kívánatos, mert a felületi rétegből a szennyeződéseket leszívják” és a mélyebb kristályrétegben lévő hibáhelyeken rögzítik. A szeletek megmunkálását úgy kell kialakítani, hogy az Si-zárványok egyenletesen eloszoljanak, mert csak így válik lehetővé az egyenletes getterezés, az elektromosan aktív felületi réteg hibamentessége.

Ezért régóta igény van olyan eljárás iránt, amellyel a szeletben lévő idegen fázisú zárvány sűrűsége, mérete és eloszlása megfigyelhető és mérhető. Különösen kívánatos volna egy olyan eljárás, amely az egyes eljárási lépések után ismételhető és főleg in situ, azaz például a kemencében végzett hőkezelés során alkalmazható.

A Japanese Journal of Applied Physics (27. köt., No.

6, 1988 június, 1081-1087) folyóiratban (S. iida és munkatársai: Measurement and Analysis of the Static Debye-Waller Factor of Cz-Silicon with Small Oxygen Precipitates) ismertetett módszer szerint laboratóriumi körülmények között Si-mintákban nagyobb kiterjedésű és kis sűrűségű SiO₂zárványok, valamint olyan egyéb mikro-szennyezések mérhetők, amelyek méretei kicsik a rögzített intenzitási eloszlás felbontásához képest. Az intenzitás-eloszlást fényképezéssel rögzítik, és a film megfeketődése például mikrodenzitométerrel kiértékelhető. A mintát és az erősen kolliminált sugarat pontosan rögzíteni, illetve irányítani kell, és a minta, valamint az exponálni kívánt film között a távolság minél kisebb legyen.

A találmány feladata olyan eljárás kifejlesztése volt, amely egyetemesen, az előállítási eljárás különböző lépéseiben alkalmazható, amely különböző vastagságú és főleg nagy vastagságú minta vizsgálatára is alkalmas, nagy felbontást ad, a hullámhossz és az alkalmazott sugárfajta megváltoztatását teszi lehetővé, és automatizálásra alkalmas.

A feladatot az 1. igénypontban meghatározott eljárással oldottuk meg.

A találmány szerinti eljárás során a vizsgálni kívánt mintát, azaz a kristálykorongot például röntgensugarakkal a Laue féle átvilágítási geometriának megfelelően besugározzuk. A besugározott kristályfelületre merőlegesen álló rács• · • ·

- 5 -síkokon a sugarak Bragg-reflexiót váltanak ki. Az elhajlott sugár foton-detektorba jut, és az abszolút R reflexiós képesség ismert módon kiszámítható. Ezt követően a kristálykorong elhelyezését megváltoztatjuk oly módon, hogy a beeső és az elhajlott sugár altál definiált elhajlási síkra merőlegesen álló első tengély körül forgatjuk. A reflexiós képesség mint az első forgatási tengely Θ forgatószögének függvénye, halmozódó jelként rögzítve, a Bragg féle reflexiós csúcshoz vezet. A Θ forgatószögön felett végzett integrálás az R£nt = Σ Rj_ x dö integrált reflexiós képességet ad ja.

Az Rj__nt mennyiséget mérési sorozatban többszörösen mérjük, aminek során az egymásra követő méréseknél a hatásos mintavastagságot, azaz a sugár által kristályon belül megtett út hosszúságát megváltoztatjuk. A hatásos mintavastagság megváltoztatása úgy történik, hogy a kristálykorongot az elhajlási síkra merőlegesen álló másik tengely körül billentjük. A Φ billentőszög megváltoztatásával a hullám- vagy részecskesugár által kristályon belül megtett út, és ennek megfelelően a hatásos mintavastagság megváltozik, de a sugárnak az elhajlási rács-síkokhoz viszonyított beesési szöge nem változik. így n mérésből álló mérési sorozat eredményeként Rfnt 3 (*j), j=l, ..., n értékek sorozatát kapjuk, amely Ri_nt a *j billentőszög beállításának, illetve a dj hatásos mintavastagságnak függvényében.

A megmért R_int 3 (Φ-j) függvény az Rf_nt, elméleti (M) tétellel írható le, amely Becker és A1 Haddad sugárelhajlási » · • ····· · · • · · · · · · •··· ·· ·· ··· ····

- 6 elméletéből (A1 Haddad disszertációja, Grenoble Egyetem, 1989) adódik. A Kató féle sugárelhajlási elmélet azonban (N. Kató, Acta Cryst. (1980), 763, 770), amelyet lida (a Jp. Appl.Phys. fent megadott helyén) is alkalmazott, kísérleti eredményeinkkel nem hozható összhangba. Mindkét elmélet paraméterenként a statikus Debye-Waller E tényezőt tartalmazza; ez a paraméter az ideális kristályszerkezettől való eltérést fejezi ki, és a figyelt kristálytartomány rácsatomjainak a nem zavart rácspontoktól számított átlagos eltolódásától függ. Ezek az ismert összefüggések lehetővé teszik, hogy a statikus Debye-Waller tényező megmérése utján az egykristályos anyagban lévő zárványok (kiválások) sűrűségét és kiterjedését meghatározzuk. A találmány esetén meglévő adottságok következtében ezek a számítások automatizálhatok .

A találmány különösen előnyös kiviteli alakjait a 2-4. igénypontok írják le. A találmányt az alábbiakban rajzok segítségével közelebbről ismertetjük. Az

1. ábra az integrált reflexiós képességet mutatja a mintavastagság függvényében, a

2. ábra az integrált reflexiós képességet mutatja a mintavastagság függvényében, az 1. ábrához hasonlóan, de más léptékben és más kristály esetén, a

3. ábra az eljárás megvalósításához alkalmas beren- dezés vázlatát szemlélteti.

A jelen találmánnyal kapcsolatban elvégzett mérések » · • · ·

- 7 azt mutatják, hogy az idegen fázisokból álló zárványok a reflexiós képességet észrevehetően befolyásolják, ez a befolyás az R£_nt--nak a hatásos mintavastagsággal lineáris növekedésében mutatkozik meg, amelynek során a zavarmentes ideális kristály integrált reflexiós képességét lényegesen meghaladó értékek adódhatnak. Az ideális kristály esetén ^Rint csupán oszcillál (a jelenség ingaoldási oszcillációként ismert), de nem növekszik a minta vastagságával. Ez az 1. ábrán látható, amelyen a vastagon kihúzott vonal ideális kristály integrált abszolút reflexiós képességét mutatja a mintavastagság függvényében, mig a vékony vonal ugyanezt mutatja S1O2-zárványokkal zavart Si-kristály esetére, amelynek viselkedése az ideális kristály részarányának és a minta vastagságával növekvő idegen fázisú részaránynak (pontozott vonal) összegeként jelentkezik.

A 2. ábra azt mutatja, hogy a reflexiós képesség a minta vastagságával erősen növekszik és olyan értékeket vesz fel, amelyek a zavarmentes kristályét lényegesen meghaladják. Az utóbbit az ábra alsó részében állandó egyenesként tüntettük fel. A reflexiós képességnek ezen érzékeny függősége a kristályhibáktól lehetőséget ad arra, hogy az Rint, elméleti (^d'^E) elméleti tételt az R_int 3 (íj) mérési sorozattal összhangba hozva a statikus Debye-Waller tényezőt nagy pontossággal meghatározzuk. A Debye-Waller tényező legalább két elhajlási rendben végzett mérése ismert módon a zárványok számát, valamint átlagos kiterjedésüket adja. Megmérjük például a 220-as reflexió Debye-Waller tényezőjét, • · · · • · · · · · • · « « ·

- 8 valamint a következő magasabb, a 440-esét is, és a számításhoz a kapott E₂₂q ®^{s E}440 eredményeket használjuk fel. A 2. ábra a 220-as és a 440-as reflexió integrált abszolút reflexiós képességét mutatja, amelyből az elméleti összefüggéssel való egybevetés utján a hozzárendelhető E₂₂q és E₄₄₀ DebyeWaller tényezőt meghatározzuk.

A 3. példában mutatott kristály 4 hálózatsíkok seregét tartalmazza; ezeken a kristályfelületre merőlegesen álló síkokon elhajlik a sugár. A vizsgálni kívánt kristályszeletek vastagsága szilícium esetén előnyösen 0,3 mm és 10 mm közötti, ahol a maximális vastagságot a foton- vagy részecskesugár közepes szabad úthossza határolja be.

Az 5 sugárforrás például röntgensugarat bocsát ki, amely a 3 minta egyik felületi elemére esik. Előnyös, ha a röntgensugarak hullámhossza 0,02 és 0,003 nm közötti, amely 50-450 keV foton-energiának felel meg. Röntgensugár forrás bármely ismert berendezés, például röntgencsövek, sőt erősen radioaktív gamma-preparátumok szolgálhatnak; különösen előnyös a szinkrotronsugárzás felhasználása, ahogy ezt az alábbiakban még leírjuk.

A beeső sugár a 4 hálózatsíkon Bragg-reflexióval elhajlik, és az elhajlott sugár az alkalmazott nagy fonton-energia mellett a beeső sugárral kis szöget bezárva továbbfut. A röntgensugarak észleléséhez 6 foton-detektor szolgál. Erre a célra bármely olyan ismert detektor alkalmazható, amelynek nagy foton-energia mellett elegendő a kimutatás hatékonysága, így például NaJ-szcintillációs számlá• · • ·

- 9 lók vagy Ge-félvezető detektorok. Az elektromos kimenő jel 7 feldolgozó egységbe kerül és ott például elektronikus memóriában rögzítésre kerül.

Az integrált abszolút reflexiós képesség megméréséhez a 3 minta helyzetét (orientációját) megváltoztatjuk, azaz a kristálykorongot az 1 tengely körül forgatjuk, amely a beeső sugár és az elhajlott sugár által definiált síkra merőlegesen helyezkedik el.Ezzel a beeső sugár és az elhajló 4 sík közötti szöget megváltoztatjuk.

Az 1 tengely körüli Θ forgatószög több beállítása mellett mérjük a reflexiós képességet, majd a Θ szög függvényében ábrázolva reflexiós csúcsot kapunk, amelynek helyzetét a Bragg-feltétel suzabja meg. Az Ri_nt integrált reflexiós képesség a Θ forgatószög beállításokhoz tartózó mért értékek integrálásából adódik. Az intragráció különböző módon végezhető el, például a a feldolgozó egységben digitálisan tárolt egyes mérési értékek összegzése utján; az integrálás, ha a Θ forgatószög változtatása folyamatos és egyenletes, a mérési eredmények akkumulálásával vagy idő feletti integrálásával is történhet.

A következő lépés a minta hatásos vastagságának a megváltoztatása oly módon, hogy a 3 mintát a 2 tengely körül billentjük. A 2 tengely körül billentve a mintát a sugárnak a síkra vonatkoztatott beesési szöge állandó marad, mig a kristályszeleten belül megtett út megváltozik, azaz a hatásos mintavastagságot l/cos($) (függőleges sugárbeesésnél Φ = 0) faktorral változtathatjuk és folyamatosan beállít• · ·· ·· » · · ····· · · · · « ····· · · • · · · · · · ···· ·· ·· ··· ····

- 10 hatjuk.

A billentőszög egymásra követő beállításai mellett megmérjük Ri_nt» ®^{s a} ♦j» valamint a hozzávaló Ri_ntP értékeit rögzítjük. Egymásra követő n mérés után Ri_nt (*j), ί ⁼ b ...n mérési értékek sorozatát, vagy alternatív Rint^ (dj) sorozatot, azaz a mintavastagságtól való függőséget kapjuk, és a mért értékek sorrendjét a feldolgozó egységben tároljuk.

Az integrált abszolút reflexiós képességnek a mintavastagságtól való mért függőségét ezt követően az elméleti ^Rint, elméleti (d,E) elvárással összehasonlítjuk, hogy eredményként a statikus Debye-Waller tényezőt kapjuk meg. A mérési eredmények feldolgozása, azaz az elméleti függvénynyel történő összevetés az eredmények lehívása után egy külső számítógépben, vagy a 7 feldolgozóegységben lévő számító egységben végezhető el. Az összevetés általában az összehasonlítandó E paraméterek ismert Fit-eljárással, például chi²-minimálással végzett numérikus várialásával történik.

Az E statikus Debye-Waller tényező, vagy valamilyen ettől egyértelműen függő mennyiség, például az L DebyeWaller paraméter [definiálva mint E exp(-L)] összehasonlításakor kapott eredmény a találmány szerinti eljárás mérőszáma, ebből az idegen fázis sűrűsége és kiterjedése levezethető.

Figyelembe kell venni, hogy helyi mérési eljárásról van szó, azaz a kristályfelület kis részének a besugárzása révén • · · ·

η · · • · « • · · · · • · · ·« ··

- 11 nyert eredmény a kristálykorong diszkrét tartományának az állapotát tükrözi. Ha ezen a korláton túlmenő vizsgálat szükséges, a hullám- illetve részecske-sugár és a kristálykorong között relatív transzlációt létrehozva a korongot letapogathatjuk, az idegen fázisok helytől függő eloszlását meghatározhatjuk, a kristálykorongot feltérképezhetjük.

A találmány egy különösen előnyös kiviteli módja szerint, ahogy ezt fent már említettük, szinkrotronsugárzást, valamint energiadiszperzív detektort használunk. A szinkrotron-sugárzás folyamatos spektrumának köszönhetően egy diszkrét beállítás esetén a Bragg-feltételek több elhajlási rend számára teljesülnek, így az integrált abszolút reflexiós képességet több elhajlási rend esetére egyszerre mérhetjük.

A találmány szerinti eljárásnak több előnye van. Például lehetséges a statikus Debye-Waller tényező meghatározása a helytől függetlenül; így az egykristálykorong feltérképezhető. Emellett a mérés elvégzése gyors, mert például eléggé erős röntgenforrás az egyes mérések igen gyorsan hajthatók végre. A kis hullámhossz alkalmazása további előnyt jelent, mert rövidhullámú sugárzás esetén a kristályban vagy a környezetben lévő készülékek falában bekövetkező abszorpció okozta bizonytalanság elhanyagolható. ; a rövid hullámhossz továbbá vastag minták megvizsgálását, valamint egyes megmunkálási lépésekben in situ, például a hőkezelés céljából a kemencében lévő kristályon végzett mérést is lehetővé teszi. A rövidhullámú sugarak ·· ·* ·· ♦ ·· ·«··« ·· · · • ·«··♦ · ♦ • · · · · · · ···· ·· ·β ··· ····

- 12 alkalmazásának további előnye, hogy a falak nem jelentenek lényeges zavart.

Claims (4)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Eljárás egykristályos anyagban lévő idegen fázisok kimutatására, mely eljárás során diszkrét kristálytartományokat hullám- vagy részecske-sugarakkal átvilágítunk, a Bragg féle körülmények között elhajlott sugarak intenzitás! eloszlását rögzítjük és a statikus Debye-Waller-tényezőt a rögzített intenzitás! értékek és egy adott elméleti funkció összevetésével meghatározzuk, azzal jellemezve, hogy az alábbi automatizált lépéseket tesszük:

   A 1) a korong vagy lapka alakjában jelen lévő mintának (3) egy első diszkrét kristálytartományát megvizsgálása olyképpen, hogy

   i) a kristályfelületre merőleges rács-síkokon (4) bekövetkező Bragg-reflexió mellett az abszolút reflexiós képességet első elhajlási rendben foton- illetve részecske-detektor (6) segítségével megmérjük, ii) a minta (3) és a sugár egymáshoz viszonyított helyzetének megváltoztatására a mintát (3) a beeső és az elhajlott sugár által definiált elhajlási síkra merőleges első tengely körül forgatjuk és iii) a foton- illetve részecske-detektor (6) kimenő jelét a mért reflexiós képesség és a mintának (3) az első tengely (1) körüli forgatásának forgatószöge közötti összefüggésként rögzítjük, vi) a mért értékeket a forgatószögen keresztül integráljuk az Rint integrált reflexiós képesség meghatározá14 sára;

   v) a minta (3) hatásos vastagságát megváltoztatjuk úgy, hogy a mintát (3) az elhajlási rács-síkra (4) merőlegesen álló második tengely (2) körül billentjük, majd az i)-től vi)-ig leírt műveleteket megismételjük;

   vi) az integrált reflexiós képességet a billentőszög j számú beállítása mellett mert Ri_ntP értékek sorozataként meghatározzuk és rögzítjük a minta (3) hatásos vastagságának függvényében, vii) az első statikus Debye-Waller tényezőt (E₂₂o) meghatározzuk az Rint³ rögzített értéksorozatot az elméleti összefüggéssel (amely az integrált reflexiós képesség a minta (3) vastagságától való függőségét tartalmazza) egybevetve;

   B) a fenti vizsgálatot legalább egyszer megismételjük, ahol az Al), i)...Al,vii) lépéseket A, 1+n)...

   Al+n, vii)-ként más elhajlási rend mellett megismételjük, és lealább egy további Debye-Waller tényezőt (E44Q...) határozunk meg,

   C) az A) és B) alatt végzett vizsgálatokat kiértékeljük a statikus Debye-Waller tényező és az idegen fázisok sűrűsége és átlagos kiterjedése közötti összefüggés szempontjából.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy járulékopsan

   D) legalább egy további diszkrét kristálytartományt vizsgálunk az A) - C) lépések más mintaelhelyezés mellett

   4 »· · ·· történő megismétlésével;

   E) és a D) lépés során kapott, az egykristályos anyag kristályrácsában lévő idegen fázisok sűrűségével és átlagos terjedelmével kapcsolatos adatok alapján a mintát feltérképezzük.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárásm azzal jellemezve, hogy a mintát (3) 0,02-0,003 nm hullámhosszú, azaz 50-450 keV energiájú röntgensugarakkal átvilágítjuk.
4. 4. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a (3) mintá-t szinkrotron-sugárzással világítjuk át, és a szórt sugárzást energiadiszperzív módszerrel mutatjuk ki.